المسلسل التلفزيوني الالماني “Biohackers” مخزن على الحمض النووي. تم تخزين الحلقة الأولى من سلسلة “Biohackers” التي تم إصدارها حديثا في شكل DNA اصطناعي. أصبح هذا ممكنا بفضل البحث الذي أجراه البروفيسور راينهارد هيكل من جامعة ميونخ التقنية (TUM) وزميله البروفيسور روبرت جراس من ETH Zürich. لقد طوروا طريقة تسمح بالتخزين المستقر لكميات كبيرة من البيانات عن الحمض النووي لأكثر من 1000 عام.
تم اجراء المقابلة من قبل جامعة ميونخ التقنية مع البروقيسور هيكل.
يقول البروفيسور هيكل، بيو هاكرزBiohackers هو عن طالب طب يسعى إلى الانتقام من أستاذ ذو ماضي مظلم - و التلاعب بالحمض النووي من أدوات التكنولوجيا الحيوية. كنت قد كلفت لتخزين سلسلة الفلم على الحمض النووي.
السؤال، كيف يتم عمل ذلك؟
اولاً ، يجب أن أذكر أن ما نتحدث عنه يتم إنشاؤه بشكل مصطنع - وبعبارة أخرى ، حمض نووي اصطناعي. يتكون الحمض النووي من أربع كتل بناء: نيوكليوتيدات الأدينين (A) ، الثايمين (T) ، الجوانين (G) والسيتوسين (C). وفي الوقت نفسه ، يتم ترميز بيانات الكمبيوتر كأصفار وواحد. تتكون الحلقة الأولى من Biohackers من سلسلة من حوالي 600 مليون صفر وواحد. على سبيل المثال, لتشفير التسلسل 01 01 11 00 في DNA ، نقرر مجموعات الأرقام التي تتوافق مع الأحرف. مثلا: 00 للادنين, 01 للسيتوسين, 10 للجوانين و 11 للثايمين. مثالنا ينتج بعد ذلك تسلسل DNA CCTA. باستخدام مبدأ تخزين بيانات الحمض النووي ، قمنا بتخزين الحلقة الأولى من السلسلة على الحمض النووي.
و لعرض السلسلة - هل الأمر مجرد "ترجمة عكسية reverse translation" للرسائل؟
بمعنى مبسط للغاية ، يمكنك تصور ذلك على هذا النحو. تحدث أخطاء عند كتابة وتخزين وقراءة الحمض النووي. إذا لم يتم تصحيح هذه الأخطاء ، فستفقد البيانات المخزنة على الحمض النووي. لحل المشكلة ، قمت بتطوير خوارزمية تعتمد على تشفير القناة. تتضمن هذه الطريقة تصحيح الأخطاء التي تحدث أثناء نقل المعلومات. الفكرة الأساسية هي إضافة التكرار redundancy إلى البيانات. فكر في اللغة: عندما نقرأ أو نسمع كلمة بأحرف مفقودة أو غير صحيحة ، فإن القوة الحاسوبية لدماغنا لا تزال قادرة على فهم الكلمة. تتبع الخوارزمية نفس المبدأ: تقوم بتشفير البيانات بتكرار كافٍ لضمان إمكانية استعادة البيانات غير الدقيقة للغاية لاحقًا.
يستخدم ترميز القناة في العديد من المجالات ، بما في ذلك في مجال الاتصالات. ما التحديات التي واجهتها عند تطوير الحل الخاص بك؟
كان التحدي الأول هو إنشاء خوارزمية موجهة خصيصا للأخطاء التي تحدث في الحمض النووي. والثاني هو جعل الخوارزمية فعالة للغاية بحيث يمكن تخزين أكبر كميات ممكنة من البيانات على أصغر كمية ممكنة من الحمض النووي ، بحيث تتم إضافة الكمية الضرورية للغاية من التكرار. لقد أظهرنا أن الخوارزمية الخاصة بنا محسّنة بهذا المعنى.
يعد تخزين بيانات الحمض النووي مكلفًا للغاية بسبب تعقيد إنتاج الحمض النووي وكذلك عملية القراءة. ما الذي يجعل الحمض النووي وسيلة تخزين جذابة على الرغم من هذه التحديات؟
أولاً ، يحتوي الحمض النووي على كثافة معلومات عالية جدا. هذا يسمح بتخزين كميات هائلة من البيانات في مساحة صغيرة. في حالة المسلسل التلفزيوني ، قمنا بتخزين 100 ميغا "فقط" على صورة بيكوغرام - أو جزء من المليار من الجرام من الحمض النووي. من الناحية النظرية ، يمكن تخزين ما يصل إلى 200 إكسابايت على غرام واحد من الحمض النووي. ويستمر الحمض النووي لفترة طويلة. بالمقارنة: إذا لم تقم مطلقا بتشغيل جهاز الكمبيوتر الخاص بك أو كتابة البيانات على القرص الثابت الذي يحتوي عليه ، فستختفي البيانات بعد عامين. على النقيض من ذلك ، يمكن أن يظل الحمض النووي مستقرا لآلاف السنين إذا تم تعبئته بشكل صحيح.
الطريقة التي طورتها أيضا تجعل خيوط الحمض النووي متينة - غير قابلة للتدمير عمليًا.
كان زميلي روبرت جراس أول من طور عملية "التعبئة المستقرة stable packing " لخيوط الحمض النووي عن طريق تغليفها في كريات نانومترية مصنوعة من زجاج السيليكا. هذا يضمن حماية الحمض النووي من التأثيرات الميكانيكية. في ورقة مشتركة في عام 2015 ، قدمنا أول مفهوم قوي لتخزين بيانات الحمض النووي باستخدام الخوارزمية وعملية التغليف التي طورها البروفيسور غراس. منذ ذلك الحين قمنا بتحسين طريقتنا باستمرار. في أحدث منشوراتنا في Nature Protocols لشهر يناير 2020 ، مررنا ما تعلمناه.
ماهي خطوتك القادمة؟ هل تخزين البيانات على الحمض النووي له مستقبل؟
نحن نعمل على طريقة لجعل تخزين بيانات الحمض النووي أرخص وأسرع. "Biohackers" كانت علامة فارقة في طريقها للتسويق. ولكن لا يزال لدينا طريق طويل لنقطعه. إذا أثبتت هذه التقنية نجاحها ، فستكون الأشياء الكبيرة ممكنة. مكتبات كاملة ، وجميع الأفلام والصور والموسيقى والمعرفة من كل نوع - بشرط أن يتم تمثيلها في شكل بيانات - يمكن تخزينها على الحمض النووي وبالتالي ستكون متاحة للبشرية إلى الأبد.
بحث المجموعة حول تطوير هذه التقنية.
Linda C. Meiser, Philipp L. Antkowiak, Julian Koch, Weide D.Chen, A.Xavier Kohll, Wendelin J. Stark, Reinhard Heckel, Robert N. Grass: "Reading and writing digital data in DNA". Published in Nature Protocols in January 2020.
مقابلة د. هيكل و د. غراس على BBC حول ذلك.
No comments:
Post a Comment